機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用問題淺探

陳 立，郭 鵬，唱春偉

1.中國(guó)建筑土木建設(shè)有限公司，北京 100068；2.中土木（北京）技術(shù)檢測(cè)有限公司，北京 102488

由于環(huán)保壓力和成本壓力的持續(xù)加劇，傳統(tǒng)混凝土的生產(chǎn)和使用技術(shù)走到了需要大幅度改良的關(guān)口。新理念、新方法、新材料在混凝土中的應(yīng)用已成為一種趨勢(shì)。其中，在混凝土中使用機(jī)制砂對(duì)天然砂進(jìn)行替代，是一個(gè)持續(xù)升溫的關(guān)注點(diǎn)［1］。而且，國(guó)內(nèi)部分省市已經(jīng)對(duì)此形成了地方性規(guī)范。本文即結(jié)合筆者在混凝土應(yīng)用和研究方面的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)機(jī)制砂在混凝土中的應(yīng)用原理和主要問題進(jìn)行探討。

1 機(jī)制砂與天然砂在混凝土中的作用差異

這個(gè)問題是研究機(jī)制砂混凝土的起點(diǎn)。從材料構(gòu)成的角度，機(jī)制砂混凝土與普通混凝土之間的差別，僅為細(xì)骨料的不同而已。在現(xiàn)有的機(jī)制砂混凝土研究中，也通常是從將機(jī)制砂作為天然砂的替代品的角度，或采用機(jī)制砂模擬天然砂的屬性的角度入手。但這個(gè)問題是值得進(jìn)一步探討的。

機(jī)制砂與天然砂的材料屬性不同。機(jī)制砂是人工破碎巖石的產(chǎn)物［2］，天然砂是自然風(fēng)化的結(jié)果。人工破碎屬于物理分解，自然風(fēng)化屬于“物理+化學(xué)+生物”分解，兩者具有完全不同的表面特征。天然砂經(jīng)過長(zhǎng)期的自然風(fēng)化，表面能降低，能夠在材料的混合態(tài)中穩(wěn)定存在；而機(jī)制砂是瞬間破碎產(chǎn)生的，具有較高的表面能［3］，能夠與介質(zhì)材料發(fā)生相對(duì)強(qiáng)烈的表面反應(yīng)和能量交換。因而天然砂是作為具有穩(wěn)定態(tài)的獨(dú)立材料發(fā)揮物理作用，機(jī)制砂則存在進(jìn)行深度能量反應(yīng)的潛力，發(fā)揮強(qiáng)烈的物理化學(xué)作用。

2 機(jī)制砂對(duì)普通混凝土力學(xué)結(jié)構(gòu)的改變

機(jī)制砂作為人工破碎巖石的產(chǎn)物，其幾何形狀較之天然砂更具不規(guī)則性，粒型更趨復(fù)雜、針片狀顆粒較多。機(jī)制砂這一幾何特性是人工手段在成本控制的前提下無(wú)法有效改善的，對(duì)混凝土的力學(xué)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了嚴(yán)重的影響。

普通混凝土的骨料配合比本質(zhì)上是按照Fuller 曲線［4］進(jìn)行設(shè)計(jì)的，考慮的顆粒為粒型相近的凸多面體，這一堆積形式中力學(xué)作用以表面摩擦和表面咬合為主。而對(duì)于針片狀顆粒較多、粒型復(fù)雜的機(jī)制砂顆粒而言，并不符合理想密實(shí)堆積的邊界條件，其顆粒間的力學(xué)作用以表面摩擦、體積咬合和顆粒剪力為主。這一差異導(dǎo)致傳統(tǒng)的普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)制砂的局部失靈，因?yàn)闄C(jī)制砂實(shí)質(zhì)上破壞了普通混凝土原有的內(nèi)部結(jié)構(gòu)統(tǒng)一性。在宏觀上，細(xì)骨料對(duì)粗骨料空隙的填充具有非均質(zhì)性，從而膠凝材料對(duì)骨料空隙的填充也將發(fā)生“塊集”，成為混凝土各項(xiàng)性能降低的誘因。

3 機(jī)制砂對(duì)混凝土性能影響的多重性

機(jī)制砂對(duì)混凝土性能的影響并非單方面的，主要由強(qiáng)度影響、和易性影響、耐久性影響三方面構(gòu)成，而這三方面影響并非呈正相關(guān)。

在強(qiáng)度方面：采用機(jī)制砂的混凝土由于細(xì)顆粒咬合力大、與膠凝材料握裹力強(qiáng)，在中低強(qiáng)度混凝土范疇內(nèi)，其強(qiáng)度參數(shù)優(yōu)于天然砂混凝；在和易性方面：采用機(jī)制砂的混凝土由于表面粗糙，在同等用量條件下，其和易性較之天然砂混凝土為差。而機(jī)制砂的表面效應(yīng)，具有較強(qiáng)的吸水性，為混凝土帶來較大的塌落度損失；在耐久性方面：由于機(jī)制砂不具有穩(wěn)定的表面形態(tài)，表面能較大，能夠促進(jìn)表面反應(yīng)，所以機(jī)制砂混凝土在同等配比用量條件下抵抗氯離子侵蝕的能力要低于天然砂混凝土。

可知，機(jī)制砂在混凝土中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在強(qiáng)度方面，而在和易性和耐久性方面則不能通過簡(jiǎn)單的材料替換來進(jìn)行設(shè)計(jì)，需要更加嚴(yán)密復(fù)雜的調(diào)整機(jī)制。

4 機(jī)制砂混凝土研究方法存在的問題

機(jī)制砂混凝土的研究，在目前而言存在兩個(gè)主要的誤區(qū)：（1）研究者一般都是在考慮機(jī)制砂對(duì)天然砂的替代使用機(jī)制，研究的目標(biāo)是通過配合參數(shù)調(diào)整使機(jī)制砂混凝土能夠達(dá)到普通混凝土的性能要求；（2）機(jī)制砂的使用和機(jī)制砂的裝備要求，一般重點(diǎn)放在磨圓度、石粉含量、針片狀顆粒含量等方面，實(shí)際上就是實(shí)現(xiàn)天然砂的人工模擬工作。

筆者認(rèn)為機(jī)制砂混凝土配合比設(shè)計(jì)，首先應(yīng)該改變上述兩種觀念，采用以下方法：

（1）普通混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，屬于懸浮介質(zhì)結(jié)構(gòu)，而機(jī)制砂混凝土更接近于咬合嵌擠式結(jié)構(gòu)。尤其是混凝土制備的早期，這種差別更加明顯。天然砂主要具有填充骨料的性質(zhì)，而機(jī)制砂具有結(jié)構(gòu)性骨架的性質(zhì)。同時(shí)，機(jī)制砂較高的表面能能夠與膠凝溶解物發(fā)生滲透反應(yīng)。所以機(jī)制砂混凝土應(yīng)該作為一種新型混凝土材料，立足于以上三個(gè)特點(diǎn)，進(jìn)行全新的模型研究，而不可將之在普通混凝土模型中簡(jiǎn)單套用。

（2）天然砂的材料性質(zhì)是不可能通過人工模擬而短期實(shí)現(xiàn)的，采用天然砂的基本特征去對(duì)機(jī)制砂的參數(shù)進(jìn)行約束，本身就是個(gè)偽命題。對(duì)機(jī)制砂的參數(shù)約定，應(yīng)當(dāng)依據(jù)機(jī)制砂在混凝土中的“填充—結(jié)構(gòu)骨架”屬性和“膠凝—強(qiáng)化”屬性，考慮機(jī)制砂的混凝土結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)分布特征、膠凝材料作用強(qiáng)化特征，進(jìn)行重建。

5 結(jié)論

機(jī)制砂混凝土的產(chǎn)生和發(fā)展，是環(huán)保壓力和成本壓力共同作用的結(jié)果。但如果依據(jù)普通混凝土的設(shè)計(jì)理論對(duì)機(jī)制砂進(jìn)行約定，最終必要導(dǎo)致混凝土配合比中的膠凝材料、外加劑用量的提高，對(duì)成本控制帶來相當(dāng)?shù)膲毫?。所以，基于機(jī)制砂自身材料特征，建立相應(yīng)的機(jī)制砂混凝土研究方法和設(shè)計(jì)應(yīng)用理論是解決當(dāng)前混凝土市場(chǎng)機(jī)制砂應(yīng)用問題的有效途徑。